第一阶段：重新认识“文件”
在写 C 语言时，你肯定用过fopen,fread,fwrite。但在操作系统眼里，文件远不止“读写”这么简单。
1. 文件的本质
文件 = 文件内容 + 文件属性
- 内容：你写进去的 "Hello World"。
- 属性 (元数据)：文件名、大小、创建时间、拥有者、权限等。
- 结论：创建一个 0kb 的空文件，它也是占磁盘空间的，因为要存它的属性。
2. 谁在操作文件？
代码写在那如果不跑，是不会操作文件的。
只有当代码运行起来变成进程后，才是“进程在操作文件”。
所以，文件操作的本质，是 进程 (Process) 和 操作系统 (OS) 之间的一次对话（因为磁盘硬件是归 OS 管的，进程不能直接摸）。
第二阶段：库函数 vs 系统调用 (The Battle)
- C 标准库函数 (Library Functions)：
fopen,fclose,fwrite,fread...- 特点：跨平台。你在 Windows 上写
fopen能跑，在 Linux 上也能跑。因为 C 库帮你屏蔽了底层差异。 - 带缓冲：这是关键！它自带一个用户级缓冲区（稍后详解）。
- 系统调用接口 (System Calls)：
open,close,write,read...- 特点：不跨平台。这是 Linux 内核直接提供的接口（Windows 的 API 叫
CreateFile）。 - 无缓冲：直接把数据扔给内核，甚至直接写盘。
层级关系：
第三阶段：核心接口open详解
我们要重点学习open，因为所有的“黑魔法”（如O_APPEND追加、O_CREAT创建）都藏在它的参数里。
1. 函数原型
你需要包含<fcntl.h>。
int open(const char *pathname, int flags); int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);2. 参数flags(位图标志位)
还记得我们在讲waitpid时提到的位图吗？这里也是一样的设计。Linux 用一个整数的不同比特位来表示不同的选项。
常用的标志（必须记住）：
O_RDONLY：只读打开。O_WRONLY：只写打开。- O_RDWR：读写打开。
(以上三个必须三选一)
O_CREAT：如果文件不存在，就创建它。（如果存在，直接打开）。O_TRUNC：截断 (Truncate)。如果文件存在，把它清空（长度变为 0）。O_APPEND：追加。写数据时自动加到文件末尾。
如何组合？ 使用 按位或 (|)。
比如：O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC 就等同于 C 语言的 fopen(..., "w")。
3. 参数mode(权限)
注意：只有当你使用了O_CREAT选项时，才必须传第三个参数mode。
- 作用：指定新创建文件的初始权限（如
0666）。 - 实际权限：记得我们讲 mkfifo 时说的 umask 吗？这里同理。
$$实际权限 = mode \ \& \ (\sim umask)$$
4. 返回值：文件描述符 (File Descriptor)
- 成功：返回一个int(大于等于 0)。我们通常叫它
fd。 - 失败：返回-1，并设置
errno。
第四阶段：代码实战 —— 手写fopen("w")
我们来写一段代码，直接使用系统调用来实现“向文件写入字符串”。
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main() { // 场景：以写的方式打开，如果不存在就创建，如果存在就清空 // 这完全等价于 fopen("log.txt", "w"); // 设置 umask 为 0，保证我们要的权限不被过滤 umask(0); // 1. 打开文件 // 返回值 fd 就是那个神秘的整数 int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0666); if (fd < 0) { perror("open"); // 打印错误原因 return 1; } printf("Open success, fd: %d\n", fd); // 2. 写入数据 const char *msg = "hello system call\n"; // write(fd, 缓冲区, 字节数) // 注意：这里不需要 +1 把 '\0' 写进去，因为文件里不需要字符串结束符，那是C语言的规定 int count = 5; while(count--) { write(fd, msg, strlen(msg)); } // 3. 关闭文件 close(fd); return 0; }编译运行：
Bash
gcc sys_io.c -o sys_io ./sys_io cat log.txt实验现象：
- 你会看到屏幕打印
Open success, fd: 3。 cat能看到文件内容。- 关键问题：为什么
fd是3？ 0, 1, 2 去哪了？
第五阶段：核心谜题 —— 文件描述符 (File Descriptor)
这是基础 IO 中最重要的概念，也是面试必考题。
1. 0, 1, 2 的秘密
Linux 进程启动时，默认会打开三个文件：
- 0 (Standard Input)：标准输入（键盘），对应 C 语言的
stdin。 - 1 (Standard Output)：标准输出（显示器），对应 C 语言的
stdout。 - 2 (Standard Error)：标准错误（显示器），对应 C 语言的
stderr。
因为 0, 1, 2 被占用了，所以你新打开的文件自然就分到了3。
2. fd 的本质：数组下标
fd 到底是什么？
在内核的 task_struct (PCB) 中，有一个指针指向 struct files_struct。
在这个结构体里，有一个指针数组 struct file* fd_array[]。
- fd 就是这个数组的下标！
- 当你调用
open时，内核创建一个file结构体，把它填入数组中最小的空闲位置（比如 3），然后把下标 3 返回给你。 - 当你调用
write(3, ...)时，内核通过下标 3 找到对应的file结构体，从而找到文件。
